Am Institut für Werkstoffe wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 40 neue Wärmedämmschichtsysteme für den Einsatz in Raketentriebwerken untersucht.
Ein wichtiger Aspekt dabei war die Verbesserung der Haftung der Wärmedämmschichten auf dem Substrat. Durch große Temperatursprünge und chemische Gradienten entstehen hohe Spannungen, die durch den Einsatz von Haftvermittlerschichten verringert werden können.
Die Haftvermittlerschichten müssen zum einen eine chemische Ähnlichkeit sowohl zum Substrat (Kupferlegierung) als auch zur Wärmedämmschicht (Ni-Basis Superlegierung) besitzen, zum anderen muss die Wärmeausdehnung im Bereich zwischen der von Substrat und Wärmedämmschicht liegen. Ein Ansatz hierfür ist das Aufbringen gradierter Schichten mit über die Schichtdicke veränderten Zusammensetzungen. Außerdem wurde eine neue Cu-NiCrAl-Legierung entwickelt, die chemische und thermische Ähnlichkeit sowohl zum Kupfersubstrat als auch zur Wärmedämmschicht aufweist.
Die Schichten werden mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht.
Die Schichten wurden unter Anderem in einem Laserprüfstand untersucht. Durch Bestrahlung der Schichtoberfläche mit einem Hochleistungslaser kann diese innerhalb kürzester Zeit auf bis zu 1500°C aufgeheizt werden. Durch die schnelle Aufheizzeit entstehen hohe Temperaturgradienten im Schichtsystem, die aufgrund thermischer Ausdehnung hohe innere Spannungen zur Folge haben. So kann eine realistische Belastung der Schichten auch im Labormaßstab abgebildet werden.
Außerdem wurden freistehende Schichten hergestellt, die im Zug- und Druckversuch auf ihre mechanischen Eigenschaften hin auch bei hohen Temperaturen untersucht wurden. So konnten Materialparameter für Finite-Elemente-Simulationen bestimmt werden. In diesen Simulationen wurde die Belastung im Laserversuch und im späteren Raketentriebwerk untersucht und kritische Lasten für eine Schichtschädigung identifiziert. Aufbauend auf diesen Versuchen wurde ein Schädigungsmodell für Schichten in Raketentriebwerken entwickelt.
Die Simulationsergebnisse und das Schädigungsmodell wurden in einem subskaligen Raketenprüfstand an der TU München experimentell untersucht und bestätigt.